Diesel Prozess
Zum Thema Diesel Prozess fallen dir nur Hollywood und Skandale ein? Wir erklären dir die thermodynamische Zustandsänderung, die damit gemeint ist.
Inhaltsübersicht
Vorgehen beim Diesel Kreisprozess
Beim Diesel Prozess handelt es sich um einen Vergleichsprozess für den Dieselmotor. Das heißt für uns, dass wir von idealisierten Annahmen ausgehen. Wir verwenden ein idealisiertes Gas und vernachlässigen damit die Veränderung der chemischen Zusammensetzung.
Die Wärmezufuhr durch die Verbrennung wird durch eine isobare Wärmezufuhr von außen und das Ausstoßen sowie Ansaugen der Luft durch eine isobare Wärmeabfuhr ersetzt.
Diesel Prozess im p-V- und T-S-Diagramm
Zur Betrachtung der thermodynamischen Prozesse schauen wir uns den Verlauf des Diesel Prozesses im p-V- und T-s-Diagramm an. Bevor wir die Zustandsänderungen betrachten, solltest du dich vergewissern, dass du die vier Arbeitstakte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen eines Dieselmotors noch kennst.
Die 4 Prozessschritte bzw. Takte beim Joule Prozess sind:
- Isentrope Kompression
- Isobare Wärmezufuhr
- Isentrope Expansion
- Isochore Wärmeabfuhr
Im Folgenden schauen wir uns den Ablauf der Takte genauer an.
Isentrope Kompression 1 -> 2:
Im ersten Schritt wird das Arbeitsmedium mittels Arbeitszufuhr isentrop verdichtet.
Da hier keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird, bleibt die Entropie im System konstant und die Temperatur steigt.
Bei der Kompression wird das Volumen verringert und der Druck steigt.
Isobare Wärmezufuhr 2 -> 3:
Durch die stark angestiegene Temperatur entzündet sich das Gemisch und führt dem System isobar Wärme zu. Das heißt, dass sich das Volumen vergrößert, während der Druck konstant bleibt. Daher sprechen wir auch vom „Gleichdruckprozess“. Die Wärmezufuhr sorgt zudem für einen Anstieg der Temperatur und der Entropie.
Isentrope Expansion 3 -> 4:
Nun wird der Druck nicht mehr konstant gehalten. Das Volumen vergrößert sich und der Druck fällt. Die isentrope Expansion des Gases sorgt dafür, dass das System Arbeit verrichtet. Dadurch sinkt die Temperatur, während die Entropie wieder konstant bleibt.
Isochore Wärmeabfuhr 4 -> 1:
Im letzten Schritt wird das verbrannte Gas ausgestoßen und frische Luft angesaugt. Wie bereits erwähnt, gehen wir von einer isochoren Wärmeabfuhr aus, wie es auch beim Otto Prozess der Fall ist. Das Volumen bleibt also konstant, während der Druck fällt. Die Wärmeabfuhr sorgt dafür, dass die Temperatur und die Entropie wieder auf das Anfangsniveau sinken.
Weitere Vergleichsprozesse:
Berechnung Diesel Prozess
Untersuchen wir als nächstes wie wir den Prozess berechnen können.
Nutzarbeit des Diesel Prozesses
Die Nutzarbeit können wir wieder aus der zu- und abgeführten Wärme berechnen:
Nutzarbeit gleich zugeführte plus abgeführte Arbeit.
Sind uns die Temperaturen sowie die spezifischen Wärmekapazitäten der isobaren und isochoren Zustandsänderung bekannt, dann können wir die Nutzarbeit folgendermaßen berechnen:
Diesel Kreisprozess: Einspritz- und Verdichtungsverhältnis
Eine wichtige Größe für Verbrennungsmotoren ist das Verhältnis zwischen dem Volumen im zweiten und dritten Zustand beziehungsweise vor und nach der Verbrennung 
.
Dieses wird als Einspritz- oder Volldruckverhältnis bezeichnet. Der zweite wichtige Parameter ist das Verdichtungsverhältnis ε zwischen dem Volumen vor und nach der Kompression 
.
Mit den beiden Verhältnissen können wir nun die Nutzarbeit und den Wirkungsgrad des Prozesses bestimmen.
Die Formel für die Berechnung der Nutzarbeit sieht dann folgendermaßen aus:
![-W_D = \frac{R \cdot T_1}{\kappa-1} \cdot[(\varphi-1) \cdot \kappa \cdot \epsilon^{\kappa-1} - (\varphi^\kappa -1)]](https://d1g9li960vagp7.cloudfront.net/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-05e2392d81d3590282c34184a0c0f30b_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dabei handelt es sich beim Isentopenexponenten κ um das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten 
und R ist die ideale Gaskonstante.
Diesel Prozess: Thermischer Wirkungsgrad
Kommen wir zur Berechnung des thermischen Wirkungsgrades. Dieser setzt sich zusammen aus der zugeführten und abgeführten Wärme:
Thermischer Wirkungsgrad gleich eins minus Betrag der abgeführten Arbeit durch zugeführte Arbeit.
Thermischer Wirkungsgrad: Einspritz- und Verdichtungsverhältnis
Bringen wir das Einspritz- und Verdichtungsverhältnis ins Spiel, dann erhalten wir die folgende Formel:
Die Formel zeigt uns, dass der Wirkungsgrad vom Verdichtungsverhältnis, dem Einspritzverhältnis, und dem Isentropenexponent abhängig ist. Bei gleichem Verdichtungsverhältnis ist er kleiner als der des Otto Prozesses .
Allerdings kann es beim Diesel Prozess nicht zum sogenannten „Klopfen“ kommen, wodurch das Verdichtungsverhältnis höher gewählt werden kann. Daher ist der Wirkungsgrad des Dieselmotors höher als der des Ottomotors.
Fassen wir zusammen, was wir nun gelernt haben. Der Dieselprozess besteht aus zwei isentropen, einer isobaren und einer isochoren Zustandsänderung. Dieser entspricht durch idealisierte Annahmen dem Prozess eines Dieselmotors. Aufgrund des höher wählbaren Verdichtungsverhältnisses ist der Diesel Prozess wirtschaftlicher als der Otto Prozess.